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　　摘要：本文研究了纳米Ni粉对Cu粉末烧结性能的影响。研究表明：由于添加1% 纳米Ni粉中的NiO未被完全还原，而且纳米Ni粉本身还有被CuO氧化成NiO的可能，因而纳米Ni粉在Cu粉末烧结过程中未能起到活化烧结的作用。添加1%纳米Ni粉后降低了Cu粉末烧结性能。
　　
　　关键字：纳米Ni粉；微米级Cu粉；粉末冶金；烧结
　　
　　纳米材料，特别是金属纳米材料，由于它具有不同于同成分普通材料的奇异特性[1]，因而自诞生以来所取得的巨大成就和其对科学及社会各个领域的影响和渗透一直引人注目。目前，纳米粉体材料应用最广、效果最为显著的领域之一是将纳米粉体材料通过表面改性，均匀地分散到各种材料基体中去，以全面改善原有材料的各种性能及制备工艺[2]。近年来，有不少学者对纳米材料在粉末冶金烧结中的活化作用做了大量的研究工作，如有人曾在微米级钨粉中加入0.1%～0.5%的超细金属粉，使W的烧结温度从3000℃ 降到1200～1300℃，显著加速了烧结过程[3]。然而，纳米Ni粉对微米Cu粉的烧结过程是否也能起到促进的作用，促进的机理是什么，对于这些问题的研究在国内外文献中均未见报道。本文研究了纳米Ni粉对粉末冶金常用的微米级Cu粉烧结性能的影响，并对其影响机理进行了探讨。
　　
　　1 实验材料及方法
　　本实验选用的Cu粉颗粒尺寸为30～70μm，氢损测试结果0.13%； Ni粉颗粒尺寸为30～70nm，氢损测试结果2.51%；用液体石蜡作为压制成型剂。纳米Ni粉的分散采用化学分散与超声波振荡相结合的方法。使用KQ-250型多功能超声波清洗器、XH-8808型三维混料机、以及自制小型混料设备进行混料。使用WZSC-20 型真空热处理炉进行真空烧结。在HT-8812 型万能材料试验机进行力学性能实验。使用KYKY-2800B型扫描电子显微镜进行断口分析。
　　由前面的氢损结果可以看出，本实验中所使用的Cu粉以及纳米Ni粉均存在氧化现象（可能原因：厂家为防止纳米粉在空气介质中团聚和继续氧化而在生产过程中进行了预氧化处理或在混料过程中出现氧化等），纳米Ni粉表面有1～2 nm厚的NiO薄膜。因此，在烧结过程中，本实验使用H2作为还原气氛。
　　为了更好的研究纳米Ni粉对Cu烧结性能的影响，本实验首先进行了纯铜试样的烧结实验，选定了纯Cu的最佳烧结温度。实验结果如图1所示。

　　本实验在添加1%纳米Ni粉后选择在纯铜最好的烧结温度850℃下进行烧结，实验拟定的烧结试验方案如表1所示。每组烧结5个试样，实验结果取5个试样试验结果的平均值。

　　2 实验结果
　　表2所示的是两组试样烧结以后的实验结果对比。从表2的试验数据可看出，添加纳米Ni粉的试样的致密度、断裂延伸率和烧结强度均较纯Cu试样低。添加的纳米Ni并没有起到提高Cu基体的烧结质量的目的。相反的，各项性能指标均低于纯Cu试样的烧结结果。

　　图2所示的为纯Cu试样经850 ℃烧结1.5 h后的拉伸断口扫描电镜照片，图3所示的为添加纳米Ni粉试样经850 ℃烧结1.5 h后的拉伸断口扫描电镜照片。从图2和图3中的烧结试样断口形貌特点可以看出，纯Cu烧结试样的断口有较多的韧窝，呈明显的韧性断裂。而添加纳米Ni粉的烧结试样断口中韧窝较少，一些Cu颗粒并没有烧结在一起，有脆性断裂倾向。

　　3、分析与讨论
　　由实验结果可以看出，添加纳米Ni粉并没有像文献3所提到的在W中加入超细金属粉一样起到积极作用。分析原因后作者认为：如果在实验过程中纳米Ni并没有以Ni的形式而是以NiO的形式参与烧结过程，由于NiO的熔点高达1500 ℃，在烧结过程中原子极难扩散，因此纳米Ni粉中的Ni原子不但不能扩散进Cu基体中形成固溶体起到活化烧结的作用，反而会聚集在纯Cu颗粒表面，阻碍颗粒间的粘结和烧结颈的形成，阻碍烧结的进程，造成烧结体强度的降低。所以，如果在实验过程中纳米Ni被大量氧化为NiO，则可能起不到纳米粉的活化烧结作用。
　　根据热力学原理，分析△ZӨ－T图[4]后我们可以得出以下规律：
　　⑴ 2H2+O2=2H2O的△ZӨ－T关系线在4Cu+O2=2Cu2O的△ZӨ－T关系线及2Ni+O2=2NiO的△ZӨ－T关系线的下方，这说明在一定动力学条件下H2可以还原Cu、Ni的氧化物。
　　⑵ 2Ni+O2=2NiO的△ZӨ－T关系线在4Cu+O2=2Cu2O的△ZӨ－T关系线下方，这说明在一定动力学条件下Ni 可以还原Cu的氧化物。
　　⑶ 分析△ZӨ－T图可知，NiO与Cu2O同时存在时，H2将首先还原Cu2O，然后再还原NiO，即NiO的还原要难于Cu2O的还原。只有将CuO还原完全后，NiO才会被还原。并且有Ni存在时，Ni会还原Cu2O生成NiO。
　　本实验研究中，在Cu粉中加入的纳米Ni粉只有1%。所以，在Cu粉中因含有Cu2O或CuO而存在的含氧量要远远高于Ni粉中因含有NiO而存在的含氧量。并且，随着H2还原Cu2O或CuO的进行，被还原出的Cu又会彼此粘结，阻止了H2对试样内部的Cu2O、 CuO或NiO的还原作用。当没有H2进入时，随着烧结温度的提高，当Ni还原Cu的氧化物的动力学条件被满足时，将会发生以下反应：
　　Ni + Cu2O=NiO + 2Cu
　　本实验中的纳米Ni粉添加量只有1%，且均匀的分布在Cu粉中，在烧结的后期纳米Ni粉将有全部变成NiO的可能。NiO在试样的烧结体中只能以夹杂物的形式存在，不能对试样中的Cu粉起到活化烧结作用，也不能与Cu生成固熔体。因此，纳米Ni粉的加入不但没能提高烧结体的强度，反而使其强度降低。
　　
　　4、结论
　　(1)、添加1%纳米Ni粉的Cu粉烧结试样的抗拉强度、致密度、断裂延伸率均低于纯Cu粉烧结试样。
　　(2)、由添加1% 纳米Ni粉中的NiO未被还原，或者在烧结过程中纳米Ni粉被再次氧化NiO，阻碍了烧结致密化，导致添加1% 纳米Ni粉的Cu粉烧结试样的烧结强度低于纯Cu粉试样的烧结强度。
　　
　　参考文献：
　　[1] 张代东,王钦清.金属纳米材料的发展动态研究[J].科技情报开发与经济.2002,5:89~92
　　[2] 高濂,孙静,刘阳桥.纳米粉体的分散及表面改性[M].北京:化学工业出版社,2003,114~151
　　[3] 夏志国,刘云.表面活性剂在纳米材料科学中的应用[J].化学试剂,2005,27(4):207~211
　　[4] 郝士明.材料热力学[M]. 北京:化学工业出版社,2004,49~58